JPH11352135A - Interatomic force microscope - Google Patents

Interatomic force microscope

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JPH11352135A
JPH11352135A JP15611198A JP15611198A JPH11352135A JP H11352135 A JPH11352135 A JP H11352135A JP 15611198 A JP15611198 A JP 15611198A JP 15611198 A JP15611198 A JP 15611198A JP H11352135 A JPH11352135 A JP H11352135A
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sample
probe
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deflection
force microscope
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JP15611198A
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Japanese (ja)
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Tatsuaki Ataka
Masamichi Fujihira
Kazuo Kayane
Tatsuya Miyatani
Kunio Nakajima
Toshihiko Sakuhara
邦雄 中島
寿彦 作原
龍明 安宅
竜也 宮谷
一夫 茅根
正道 藤平
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
セイコーインスツルメンツ株式会社
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an interatomic force microscope by which damages on a probe and a sample are reduced by vibrating a cantilever with a frequency below its resonance frequency and by scanning so that contact and separation between the probe and the sample are alternately repeated periodically, and by which interaction acting between the probe and the sample and properties of the sample picturized.
SOLUTION: A cantilever or a sample is vibrated vertically relative to the surface of the sample with a frequency below a resonance frequency of the cantilever and scanning is performed so that contact and separation between the probe and the sample are alternately repeated periodically. In this case, the maximum repulsion on the probe is controlled as prescribed, to thereby obtain a topography of the sample. By recording a deflection signal 202 of the scanning cantilever, interaction acting between the probe and the surface of the sample and the distribution of properties of the sample can be picturized. In this device, since the probe and the sample are made to contact periodically, the probe does not drag the sample, to thereby reduce damages to the probe and the sample.
COPYRIGHT: (C)1999,JPO

Description

【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 [0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、物質間に作用する原子間力を利用して、試料の表面形状を観察する原子間力顕微鏡に関する。 The present invention relates utilizes an atomic force acting between substances, to an atomic force microscope for observing the surface shape of the sample.

【0002】 [0002]

【従来の技術】原子間力顕微鏡は、基本的に先端に探針(プローブ)をもつ片持ちはり(カンチレバー)とそのたわみを検出する検出器、位置制御用の微動機構、それらを制御し、測定結果を表示するためのコンピューターで構成されている。 BACKGROUND ART atomic force microscope, a detector for detecting a basically Hari cantilevered with a probe (probe) on the tip (the cantilever) its deflection, fine movement mechanism for position control to control them, It is composed of a computer for displaying the measurement results. 原子間力顕微鏡は、その走査方法によって接触式(コンタクトAFM)、非接触式(ノンコンタクトAFM)、サイクリックコンタクト式に分けられる。 Atomic force microscope, contact by the scanning method (contact AFM), a non-contact type (noncontact AFM), is divided into cyclically contact type.

【0003】接触式は、プローブを試料表面に接触させながら試料表面を走査させる方式で表面形状に加えて、 [0003] contact, in addition to the surface shape in a manner to scan the sample surface while the probe is brought into contact with the sample surface,
摩擦や硬さといった表面の物性の分布を観察することができる。 It can be observed the distribution of the physical properties of the surface such as friction and hardness. 非接触式は、カンチレバーをその共振周波数付近で振動させることによってプローブが試料にふれることなく走査する方式である。 Contactless is a method of probe scans without touching the sample by oscillating the cantilever near its resonant frequency. 非接触なので、試料へのダメージが少ないといった特徴がある。 Since non-contact, is characterized such that less damage to the sample.

【0004】サイクリックコンタクト式は、非接触式と同様にカンチレバーをその共振周波数付近で振動させるが、プローブが周期的に試料に接触しながら走査するといった違いがある。 [0004] Cyclic contact type is to vibrate the cantilever like the non-contact near its resonance frequency, the probe is a difference such scans while contacting the periodic samples. 接触式に比べて、この方式は、試料の引きずりが少ないため、試料のダメージが小さいという特徴がある。 Compared to contact type, this method, since less drag of the sample, it is characterized in that the damage of the sample is small. 接触式のAFMには、他の二方式にはない特徴がある。 The AFM contact type is characterized not in the other two schemes. それは、プローブと試料間に働く力の測定である。 It is a measure of the force acting between the probe and the sample. 力の測定は、図1に記載の力曲線を測定することで行われる。 Measurement of the force is performed by measuring the force curve according to FIG. この力曲線からは、試料表面に関する重要な情報が得られる。 From this force curve, important information is obtained about the sample surface. 領域101では、試料表面の凹凸と硬さに関する情報、領域102では、プローブと試料間に働く引力及び斥力に関する情報、領域103では、プローブと試料間に働く吸着力に関する情報が得られる。 In the region 101, information about the irregularities and the hardness of the sample surface, in the region 102, information about the attraction and repulsion acting between the probe and the sample, in the region 103, information about the attractive force acting between the probe and the sample is obtained.

【0005】 [0005]

【発明が解決しようとする課題】従来のAFMによる力測定は、通常、試料の表面形状像を測定した後、表面形状像上で場所を指定し、その場所で図1に記載したような力曲線を測定することによって行われる。 [Problems that the Invention is to Solve the force measurement by conventional AFM usually after measuring the surface shape image of the sample, specifies the location on the surface shape image, a force such as described in Figure 1 in situ It carried out by measuring the curve. この場合、得られるのは、その位置での吸着力等の情報である。 In this case, obtained is information adsorption force or the like at that location. しかし、ほとんどの試料表面は不均一なので、試料表面の面内での吸着力等の分布を測定する必要がある。 However, most of the sample surface so uneven, it is necessary to measure the distribution of such suction forces in the plane of the sample surface.

【0006】そのためには、力曲線を連続して測定しながら試料表面を走査しなければならない。 [0006] For this purpose, it must scan the sample surface while continuously measuring the force curve. 通常、力曲線を測定するためには、試料またはカンチレバーを上下に振動させるが、その周波数は、高くても数十Hzである。 Usually, in order to measure the force curve is vibrates the sample or the cantilever up and down, its frequency is higher by several tens of Hz.
これは、その振動が等速であり、周波数が低く制限されるためである。 This vibration is a constant speed, because the frequency is limited to a low. 通常のAFMの表面形状像は65536画素で構成されているから50Hzで力曲線を測定したとしても、一つの画像を得るためには20分ほどかかってしまう。 Surface shape image of the ordinary AFM can even measure the force curve at 50Hz from being composed of 65536 pixels, in order to obtain a single image it takes about 20 minutes. これは、通常のAFM測定のおよそ5倍ほどである。 This is as much as about 5 times the normal AFM measurement.

【0007】そこで、本発明は力曲線を高速に測定し、 [0007] Accordingly, the present invention is to measure the force curve at high speed,
通常のAFMと同等の短い測定時間で、表面形状に加えて、吸着力等の力曲線から得られる試料表面に関する情報の面内での分布を同時に測定し画像化することを課題とする。 In conventional AFM equivalent short measuring time, in addition to the surface shape, it is an object to measured simultaneously to image the distribution in the plane of the information on the sample surface resulting from the force curve, such as a suction force.

【0008】 [0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明の原子間力顕微鏡は、カンチレバーとプローブを有し、試料またはカンチレバーに取り付けられたプロ−ブを正弦波で振動させることによって、力曲線の測定を高速化し、通常のAFMと同等の短い測定時間で、表面形状に加えて、吸着力等の力曲線から得られる試料表面に関する情報の面内での分布を同時に測定し画像化できるようにしたものである。 In order to solve the above problems SUMMARY OF THE INVENTION The atomic force microscope of the present invention has a cantilever and probe, pro attached to the sample or the cantilever - be vibrated in a sine wave Bed Accordingly, the speed of the measurement of the force curve, in a conventional AFM equivalent short measuring time, in addition to the surface shape, and measuring the distribution in the plane of the information on the sample surface resulting from the force curve, such as a suction force at the same time it is obtained by allowing the imaging.

【0009】さらに、プローブに働く最大斥力を一定に保つようにプローブまたは試料の位置を制御しながら試料表面上を操作することによって、試料表面の表面形状像を得ることができるような原子間力顕微鏡とした。 Furthermore, by operating on the sample surface while controlling the position of the probe or sample so as to maintain the maximum repulsive force constant between atoms that can be obtained the surface shape image of the sample surface forces acting on the probe It was a microscope. さらに、プローブと試料との距離が十分離れていてカンチレバーがたわんでいない状態でのカンチレバーのたわみを表す信号と、プローブが試料から受ける斥力が最大となっている状態でのカンチレバーのたわみを表す信号との差からプローブに働く最大斥力を決定することができるような原子間力顕微鏡とした。 Further, a signal representative of the deflection of the cantilever in a state in which a signal representative of the deflection of the cantilever in a state where the distance between the probe and the sample is not deflected sufficiently be remote cantilever, repulsive force probe receives from the sample is the largest and the atomic force microscope that can determine the maximum repulsive force acting on the probe from the difference between.

【0010】さらに、試料の表面形状像と、試料表面上でのプローブと試料表面との間に働く相互作用および試料の物性分布と、を同時に画像化することができるような原子間力顕微鏡とした。 Furthermore, the surface shape image of the sample, the probe and atomic force microscope as a physical distribution of the interaction and the sample, it is possible to simultaneously imaged acting between the sample surface on the sample surface did. さらに、プローブと試料表面との間に働く引力及び斥力を画像化することができるような原子間力顕微鏡とした。 Furthermore, it was atomic force microscopes to be able to image the attraction and repulsion acting between the probe and the sample surface.

【0011】さらに、カンチレバーまたは試料の振動に同期した二つのトリガ信号のタイミングを調節し、それぞれのタイミングでのカンチレバーのたわみを表す信号の差からプローブと試料との間に働く引力および斥力を決定することができるような原子間力顕微鏡とした。 Furthermore, determining the attraction and repulsion acting between the adjusting the timing of the two trigger signal synchronized with the oscillation of the cantilever or the sample, the difference from the probe and the sample signal representing the deflection of the cantilever at each timing it was atomic force microscopy such as may be. さらに、プローブと試料との間に働く吸着力の分布を画像化することができるような原子間力顕微鏡とした。 Furthermore, it was atomic force microscopes to be able to image the distribution of the suction force acting between the probe and the sample.

【0012】さらに、カンチレバーまたは試料の振動に同期した開始と終了のトリガ信号のタイミングを調節し、開始トリガから終了トリガの間でのカンチレバーのたわみを表す信号からプローブと試料との間に働く吸着力を決定することができるような原子間力顕微鏡とした。 Furthermore, by adjusting the timing of the start and end of the trigger signal in synchronization with the oscillation of the cantilever or the sample, it acts from the signal representative of the deflection of the cantilever between the end trigger from start trigger between the probe and the sample adsorption and the atomic force microscope that can determine the force. さらに、試料表面の硬さの分布を画像化することができるような原子間力顕微鏡とした。 Furthermore, it was atomic force microscopes to be able to image the hardness distribution of the sample surface.

【0013】さらに、カンチレバーまたは試料の振動に同期した二つのトリガ信号のタイミングを調節し、それぞれのタイミングでのカンチレバーのたわみを表す信号の差から試料表面の硬さを決定することができるような原子間力顕微鏡とした。 Furthermore, as it is possible to adjust the timing of the two trigger signal synchronized with the oscillation of the cantilever or the sample to determine the hardness of the sample surface from the difference of the signals representing the deflection of the cantilever at each timing and the atomic force microscope. さらに、カンチレバーのたわみを表す信号から試料表面に関する情報を取得するタイミングと、表面形状に関する情報を取得するタイミングを同期させることができるような原子間力顕微鏡とした。 Further, the timing of acquiring the information about the sample surface from the signal representative of the deflection of the cantilever, and the atomic force microscope as it is possible to synchronize the timing of acquiring the information relating to the surface shape.

【0014】さらに、試料表面の形状測定と同時に試料表面上の各位置でのカンチレバーのたわみを表す信号の一周期分または、その一部を記憶装置に保存することができるような原子間力顕微鏡とした。 Furthermore, one period of a signal representative of the deflection of the cantilever at the same time the position on the sample surface shape measurement of the sample surface or atomic force microscopes to be able to save a part of the storage device and the. さらに、試料表面の形状に関する情報を取得するタイミングと、試料表面上の各位置でのカンチレバーのたわみを表す信号の一周期分または、その一部を記憶装置に保存するタイミングと、を同期させることができるような原子間力顕微鏡とした。 Further, the timing of acquiring the information about the shape of the sample surface, one period of a signal representative of the deflection of the cantilever at each position on the sample surface or synchronizes the timing to store a part of the storage device, the and the atomic force microscope that can.

【0015】 [0015]

【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Hereinafter, will be explained based on the embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings. [実施の形態1]本発明で述べている新規AFMは、カンチレバーまたは、試料をカンチレバーの共振周波数以下で振動させている。 New AFM said in the present invention Embodiment 1, the cantilever or, and by vibrating the sample at below the resonance frequency of the cantilever.

【0016】図2は、試料を正弦波で振動させた場合のカンチレバーのたわみの変化を模式的に示している。 [0016] Figure 2 is a variation of the deflection of the cantilever when vibrating the sample a sine wave shown schematically. グラフの横軸は時間、縦軸は変位量である。 The horizontal axis of the graph represents time and the vertical axis represents the amount of displacement. 実線で示した曲線は、カンチレバーの先端の変位量であり、破線は試料の変位量である。 Curve indicated by the solid line is the amount of displacement of the tip of the cantilever and the broken line shows the displacement of the sample. プローブと試料が十分に離れている状態ではプローブに力が働いていないので、カンチレバー先端の位置は変化しない。 Since in the state in which the probe and the sample are sufficiently separated no force acts on the probe, the position of the cantilever tip is not changed. 試料がプローブに近づくにつれプローブと試料との間に引力が働きその引力の勾配とカンチレバーのバネ定数が釣り合った点aでカンチレバーが試料側にたわんでプローブが試料表面に接触する。 Sample contacts the probe sample surface in cantilever a point where attraction spring constant of the gradient and the cantilever of the attractive force commensurate acts between the probe and the sample is deflected to the sample side as it approaches the probe. その後、プローブは試料と共に上昇し、カンチレバーは上側にたわむ。 Thereafter, the probe increases with sample, the cantilever deflects upward. 試料の変位量が最大になった後、プローブは試料と共に下降し、カンチレバーは下向きにたわむ。 After displacement of the sample is maximized, the probe is lowered with the sample, the cantilever deflects downward. 多くの場合、吸着力によってプローブはa点での位置よりもさらに、下降する。 Often, the probe by adsorption force even than the position at a point, descends. 吸着力とカンチレバーの復元力が釣り合うd点でプローブは試料表面から離れ、 The probe away from the sample surface at a point d where the restoring force of the suction force and the cantilever are balanced,
カンチレバーは自由振動をはじめる。 The cantilever start the free vibration. 大気中では、大気の粘性抵抗によって自由振動は減衰し、カンチレバーはたわみのない状態に戻り、再び、e点でプローブが試料に接触する。 In the air, free vibration is damped by the viscous resistance of air, the cantilever returns to the absence of bending, again, the probe contacts the sample at point e. この、a点からe点までのカンチレバーのたわみ量から、プローブと試料との間に働く相互作用および試料表面の物性に関する情報を得ることができる。 This can be the amount of deflection of the cantilever to point e from a point to obtain information about the properties of the interaction and the sample surface acting between the probe and the sample. たとえばa点からd点までの、プローブが試料に接触している領域では試料表面の硬さに関する情報を得ることができる。 For example from a point to point d, it is possible to obtain information about the hardness of the sample surface in a region where the probe is in contact with the sample.

【0017】また、プローブが試料表面から離れるd点でのカンチレバーのたわみ量からプローブと試料との間に働く吸着力に関する情報を得ることができ、e点の直前のカンチレバーのたわみ量からは、プローブと試料との間に働く引力や斥力に関する情報を得ることができる。 Further, the probe can obtain information about the attractive force acting between the cantilever deflection amount from the probe and the sample at the point d away from the sample surface, the amount of deflection of the previous cantilever point e, it is possible to obtain information about the attraction and repulsion acting between the probe and the sample. さらに、プローブが試料によって押し上げられたときのカンチレバーの最大たわみ量201を一定に保つようにフィードバック制御を行いながら、試料表面を走査することによって試料の表面形状に加えて前記のプローブと試料との間に働く相互作用および試料表面の物性の分布像を得ることができる。 Further, the probe while the feedback control so as to keep the maximum deflection amount 201 of the cantilever when pushed up by the sample at a constant, in addition to the surface shape of the sample by scanning the sample surface with the probe and the sample it is possible to obtain a distribution image of the physical properties of the interaction and the sample surface acting between.

【0018】[実施の形態2]AFMでは、カンチレバーのたわみをたわみ検出器によって検出している。 [0018] [Embodiment 2] In AFM, is detected by the detector deflection deflection of the cantilever. たわみ検出器はカンチレバーのたわみに比例した電気信号(たわみ信号)を出力する。 Deflection detector outputs an electrical signal proportional to the deflection of the cantilever (deflection signal). 図3および4を用いて、たわみ信号から、第一実施例で述べた試料の表面形状、プローブと試料との間に働く相互作用および試料表面の物性に関する情報を取得するためのたわみ信号処理装置について説明する。 With reference to FIGS. 3 and 4, the deflection signal, the surface shape of the sample described in the first embodiment, the deflection signal processing apparatus for obtaining information about the physical properties of the interaction and the sample surface acting between the probe and the sample It will be described. 図3および図4は、それぞれ、たわみ信号処理装置のブロック図、たわみ信号処理装置の動作を示すタイミングチャートである。 3 and 4, a block diagram of each deflection signal processor is a timing chart showing the operation of the deflection signal processor.

【0019】たわみ信号処理装置は、おもにカンチレバーまたは試料を振動させる加振信号と同期したトリガを発生させるトリガ発生回路301、トリガのタイミングを調節するトリガ調節回路303a〜h、リファレンス信号サンプル&ホールド回路304、極大値ホールド回路305、極小値ホールド回路306、引力・斥力用サンプル&ホールド回路307、弾性用サンプル&ホールド回路308および30 The deflection signal processing device, mainly trigger generating circuit 301 generates a trigger synchronous with the excitation signal vibrates the cantilever or the sample, a trigger adjusting circuit adjusts the timing of the trigger 303A~h, the reference signal sample-and-hold circuit 304, maximum value hold circuit 305, the minimum value hold circuit 306, attraction-repulsion sample-and-hold circuit 307, the elastic sample and hold circuits 308 and 30
9、減算器310a〜dで構成されている。 9, and a subtractor 310A-D.

【0020】たわみ検出器からのたわみ信号はリファレンス信号サンプル&ホールド回路304、極大値ホールド回路305、極小値ホールド回路306、引力・斥力用サンプル&ホールド回路307、弾性用サンプル&ホールド回路3 The deflection signal from the deflection detector reference signal sample-and-hold circuit 304, the maximum value hold circuit 305, the minimum value hold circuit 306, attraction-repulsion sample-and-hold circuit 307, the elastic sample and hold circuit 3
08および309へ入力される。 It is input to the 08 and 309. トリガ調節回路303aを使って、402のaに示すようにカンチレバーがたわんでいない状態にトリガのタイミングを調節することによって、リファレンス信号サンプル&ホールド回路304がリファレンス信号となるカンチレバーのたわんでいない状態でのたわみ信号をの大きさを出力する。 With triggers adjusting circuit 303a, by adjusting the timing of the trigger in a state where the cantilever is not deflected as shown in a of 402, with the reference signal sample-and-hold circuit 304 is undeflected of cantilever as a reference signal and it outputs the a deflection signal magnitude of. この、リファレンス信号はカンチレバーのたわみがない状態を表す。 The reference signal is representative of the absence of deflection of the cantilever.

【0021】極大値ホールド回路305は、任意の時間窓内での極大値を検出し出力する回路である。 The maximum value hold circuit 305 is a circuit that outputs detecting the maximum value within a given time window. トリガ調節回路303bおよび303cを使って403bおよび403cのタイミングを調節する。 With triggers adjusting circuit 303b and 303c to adjust the timing of 403b and 403c. このとき、たわみ信号401が極大になる時刻が403bから403cの間にくるようにする。 At this time, the time the deflection signal 401 becomes maximal is to come between 403c from 403b. 極大値ホールド回路305はトリガ403bから403cまでの時間内でたわみ信号401の最大値を検出し出力する。 Maximum value holding circuit 305 detects the maximum value of the deflection signal 401 within the time from the trigger 403b to 403c output. この信号とリファレンス信号との差を一定に保つようにフィードバック制御を行いながら試料表面を走査することによって、試料の表面形状を得ることができる。 By scanning the sample surface while feedback control so as to keep the difference between the signal and the reference signal constant, it is possible to obtain a surface shape of the sample.

【0022】極小値ホールド回路306は、任意の時間窓内での極小値を検出し出力する回路である。 The minimum value holding circuit 306 is a circuit for detecting and outputting a minimum value within arbitrary time windows. トリガ調節回路303dおよび303eを使って404dおよび404eのタイミングを調節する。 With triggers regulatory circuits 303d and 303e adjusts the timing of 404d and 404e. このとき、プローブが試料から離れる時刻が404dと404eの間にくるように調節する。 At this time, the time the probe is separated from the sample is adjusted such that between 404d and 404e. 極小値ホールド回路306はトリガ404dから404eまでの時間内でたわみ信号401の極小値を検出し出力する。 Minimum value holding circuit 306 detects the minimum value of the deflection signal 401 within the time from the trigger 404d to 404e output. この信号とリファレンス信号との差がプローブと試料との間に働く吸着力の大きさを表す。 The difference between this signal and the reference signal is representative of the magnitude of the attractive force acting between the probe and the sample. カンチレバーのバネ定数を用いれば、吸着力を求めることができる。 With the spring constant of the cantilever, it is possible to obtain the adsorption force.

【0023】引力・斥力用サンプル&ホールド回路307 [0023] for the attraction-repulsion sample-and-hold circuit 307
が、たわみ信号をサンプリングするタイミングはトリガ調節回路、303fを使って、405のfに示すように、プローブが試料に接触する直前のプローブと試料との間に働く引力または斥力によってカンチレバーがたわんでいる領域に調節する。 But timing trigger adjusting circuit for sampling the deflection signals, with a 303f, as shown in 405 of f, is cantilever deflected by attraction or repulsion acting between the probe and the sample immediately before the probe contacts the sample to adjust to the area you are. 引力・斥力用サンプル&ホールド回路30 Sample for the attraction-repulsion-and-hold circuit 30
7の出力とリファレンス信号との差がプローブと試料との間に働く引力および斥力といったプローブと試料間に働く相互作用の大きさを表す。 The difference between the output and the reference signal 7 represents the magnitude of the interaction acting attractive and between the probe and the sample such repulsion acting between the probe and the sample.

【0024】弾性用サンプル&ホールド回路308および3 [0024] elasticity for sample-and-hold circuit 308 and 3
09がたわみ信号をサンプリングするタイミングは、トリガ調節回路303gおよび303hを使って、406のgおよび407 Timing 09 samples the deflection signals, with triggers regulatory circuits 303g and 303 h, 406 g of and 407
のhに示すように、プローブが試料に接触していて、カンチレバーのたわみが増加または減少するどちらか一方の側で時刻をずらして調節する。 As shown in the h, the probe is in contact with the sample, the deflection of the cantilever is adjusted by shifting the time on either side to increase or decrease. 弾性用サンプル&ホールド回路308および309の出力の差が試料表面の硬さを表す。 The difference between the output of the elastic sample and hold circuits 308 and 309 represent the hardness of the sample surface.

【0025】試料表面を走査しながら、上記の表面形状、吸着力、引力・斥力、硬さを反映する信号をサンプリングすることにより、表面形状像と同時に吸着力、引力・斥力、硬さの分布像を得ることができる。 [0025] while scanning the sample surface, said surface shape, the suction force, attraction-repulsion, by sampling the signal reflecting the hardness, the surface shape image at the same time the suction force, attraction-repulsion, the hardness distribution image can be obtained. また、試料又はカンチレバーを振動させる信号と表面形状像等を取得するためのサンプリングのタイミングを同期させることにより、実際の試料表面と、取得した画像との整合性をより高めることができる。 Also, by synchronizing the timing of sampling for acquiring a signal and a surface shape image, etc. which vibrates the sample or the cantilever can be enhanced and the actual sample surface, the consistency of the acquired image.

【0026】[実施の形態3]図5および図6は、たわみ信号処理装置のブロック図とタイミングチャートである。 [0026] [Embodiment 3] Figures 5 and 6 is a block diagram and a timing chart of the deflection signal processor. たわみ信号処理装置は、おもにカンチレバーまたは試料を振動させる加振信号と同期したトリガを発生させるトリガ発生回路501、トリガのタイミングを調節するトリガ調節回路503a〜e、サンプリング回路および記憶装置504および509、リファレンス信号サンプル&ホールド回路505、極大値ホールド回路506、減算器507で構成されている。 Deflection signal processing device, mainly trigger generating circuit 501 generates a trigger synchronous with the excitation signal vibrates the cantilever or the sample, a trigger adjusting circuit 503A~e, sampling circuit and a storage device 504 and 509 for adjusting the timing of the trigger, reference signal sample-and-hold circuit 505, the maximum value hold circuit 506, and a subtracter 507.

【0027】たわみ検出器からのたわみ信号はサンプリング回路および記憶装置504、リファレンス信号サンプル&ホールド回路505、極大値ホールド回路506へ入力される。 [0027] Deflection Deflection signals from the detector sampling circuit and the storage device 504, the reference signal sample-and-hold circuit 505, is inputted to the maximum value holding circuit 506. トリガ調節回路503aを使って、602のaに示すようにカンチレバーがたわんでいない状態にトリガのタイミングを調節することによって、リファレンス信号サンプル&ホールド回路505がリファレンス信号となるカンチレバーのたわんでいない状態でのたわみ信号の大きさを出力する。 With triggers adjusting circuit 503a, by adjusting the timing of the trigger in a state where the cantilever is not deflected as shown in a of 602, with the reference signal sample-and-hold circuit 505 is undeflected of cantilever as a reference signal and it outputs the magnitude of the deflection signal. この、リファレンス信号はカンチレバーのたわみがない状態を表す。 The reference signal is representative of the absence of deflection of the cantilever.

【0028】極大値ホールド回路506は、任意の時間窓内での極大値を検出し出力する回路である。 The maximum value hold circuit 506 is a circuit that outputs detecting the maximum value within a given time window. トリガ調節回路503bおよび503cを使って603bおよび603cのタイミングを調節する。 With triggers adjusting circuit 503b and 503c to adjust the timing of 603b and 603c. このとき、たわみ信号601が極大になる時刻が603bから603cの間にくるようにする。 At this time, the time the deflection signal 601 becomes maximal is to come between 603c from 603b. 極大値ホールド回路506はトリガ603bから603cまでの時間内でたわみ信号601の極大値を検出し出力する。 Maximum value holding circuit 506 detects the maximum value of the deflection signal 601 within the time from the trigger 603b to 603c output. この信号とリファレンス信号との差を一定に保つようにフィードバック制御を行いながら試料表面を走査することによって、試料の表面形状を得ることができる。 By scanning the sample surface while feedback control so as to keep the difference between the signal and the reference signal constant, it is possible to obtain a surface shape of the sample.

【0029】サンプリング回路および記憶装置504は、 The sampling circuit and the storage device 504,
時刻602aから時刻602dまで、たわみ信号をサンプリングし試料表面上の各点での一周期分のたわみ信号を連続して記憶装置に保存する。 From time 602a to time 602d, the one period of the deflection signal at each point on the sample the deflection signal sample surface is continuously stored in the storage device. 表面形状像を測定した後、記憶装置に保存してあるたわみ信号から任意のタイミングでのたわみ信号を抽出することにより、引力・斥力分布像、吸着力分布像、硬さ分布像を形成する。 After measuring the surface profile image, by extracting the deflection signal at an arbitrary timing from the deflection signals are stored in the storage device, forming attraction-repulsion distribution image, the suction force distribution image, the hardness distribution image.

【0030】また、サンプリング回路および記憶装置50 Further, the sampling circuit and the storage device 50
9は、たわみ信号の一部分をサンプリングし記憶装置に保存するものである。 9 is to save a portion of the deflection signal sampled storage device. その、サンプリングする範囲は、 The, range of sampling,
トリガ調節回路503dと503eを使って、604eおよび604f With triggers adjusting circuit 503d and 503 e, 604e and 604f
のに示すように調節する。 It is adjusted as shown in the. ここで、604eおよび604fはそれぞれ、サンプリングの開始トリガと終了トリガである。 Here, 604e and 604f are respectively the end trigger the start trigger of the sampling. 同様の回路を複数使用することによってたわみ信号の複数の任意の部分をサンプリングして記憶装置に保存することができる。 Can be stored in the storage device is sampled a plurality of any portion of the deflection signal by using a plurality of similar circuits. これによって、記憶装置の容量を小さくすることができる。 This makes it possible to reduce the capacity of the storage device.

【0031】このように、たわみ信号のすべてまたは一部を記録し保存することで面内だけでなく、プローブと試料との距離に対するプローブと試料間に働く相互作用の分布を得ることができる。 [0031] it is possible in this way, not only in the plane by recording saves all or part of the deflection signal to obtain the distribution of the interaction acting between the probe and the sample to the distance between the probe and the sample. また、試料又はカンチレバーを振動させる信号と表面形状像等を取得するためのサンプリングのタイミングとサンプリング回路および記憶装置がサンプリングを開始するタイミングとを同期させることにより、実際の試料表面と、取得した画像との整合性をより高めることができる。 Further, since the sampling timing and the sampling circuit and a memory device for acquiring a signal and the surface shape image, etc. which vibrates the sample or the cantilever synchronizes the timing for starting the sampling, the actual sample surface, the obtained image it is possible to increase the consistency with.

【0032】[実施の形態4]図7から図9は、実施の形態3から4を利用したAFMのブロック図である。 [0032] [Embodiment 4] FIGS. 7-9 is a block diagram of an AFM using 4 from the third embodiment. 図7 Figure 7
は、試料走査用のXYZトランスレータ705を利用して試料を振動させる形式のAFMのブロック図である。 Is a block diagram of an AFM of the type utilizing XYZ translator 705 for sample scanning vibrating the sample. XYZトランスレータ705のZ端子に高さの制御信号に加算器711を使って加振信号を重畳するによって、試料を振動させる。 Depending on superimposing a vibration signal with the adder 711 to the height control signal to the Z terminal of the XYZ translator 705 to vibrate the sample.

【0033】また、図7のXYZトランスレータを利用して試料を振動させる方式は、簡便ではあるが、一般的に Further, a method of vibrating the sample using the XYZ translator of FIG. 7, albeit simple, but in general
XYZトランスレータの共振周波数が低いため加振周波数の範囲が狭くなってしまう。 Range of vibration frequencies due to the low resonant frequency of the XYZ translator is narrowed. そこで、図8に示すように Therefore, as shown in FIG. 8
XYZトランスレータとは独立に共振周波数の高い加振用アクチュエータ810を付加し試料を振動させることによって、加振周波数の範囲を広くすることができる。 By vibrating the added high vibration actuator 810 resonance frequencies independent samples and XYZ translator, it is possible to widen the range of vibration frequency.

【0034】また、図9で示すように、加振用アクチュエータ910にカンチレバーを固定してカンチレバーを振動させることによっても同様の効果を得ることができる。 Further, as shown in Figure 9, it is possible to obtain the same effect by the vibration actuator 910 by fixing the cantilever to vibrate the cantilever.

【0035】 [0035]

【発明の効果】従来のAFMでは、試料表面上の一点での測定に限られていたプローブ−試料間の相互作用測定が、本発明によって、平面内での相互作用分布に加え試料表面に対して垂直方向の相互作用分布を測定できるようになる。 [Effect of the Invention] In the conventional AFM, the probe was limited to measurements at a point on the sample surface - interaction measured between samples, the present invention, with respect to the sample surface in addition to the interaction distribution in the plane it becomes possible to measure the interaction distribution in a vertical direction Te. また、副次的な効果としてサイクリックコンタクト式に比べてプローブが試料に接触する回数が少ないので試料およびプローブのダメージが少ないという効果がある。 The probe as compared to the cyclic contact type has an effect that is less damage of the sample and the probe because the fewer times in contact with the sample as a side effect.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】距離に対する力曲線の模式図である。 1 is a schematic diagram of the force curve versus distance. 円または楕円で囲んだ部分は、それぞれの情報が得られると思われる領域を示している。 Portion enclosed by a circle or an ellipse is a region where each of the information is likely to be obtained.

【図2】本発明を応用したAFMの例としてサンプルを振動させた場合のカンチレバーのたわみの変化を示す時間に対するたわみ曲線の図である。 2 is a diagram of a deflection versus time curve showing the variation of the deflection of the cantilever when the samples as examples of AFM which applies the present invention is vibrated.

【図3】たわみ信号処理装置のブロック図である。 3 is a block diagram of a deflection signal processing apparatus.

【図4】本発明による装置の動作を示すタイミングチャートである。 4 is a timing chart showing the operation of the apparatus according to the present invention.

【図5】別タイプのたわみ信号処理装置のブロック図である。 5 is a block diagram of another type of deflection signal processor.

【図6】本発明による別タイプの装置の動作をしめすタイミングチャートである。 6 is a timing chart showing the operation of another type of apparatus according to the present invention.

【図7】本発明を応用した、試料を走査させ、XYZトランスレータのZトランスレータによって加振するタイプのAFMのブロック図である。 [7] by applying the present invention, a sample is scanned with a block diagram of a type of AFM which vibrated by Z Translator XYZ translator.

【図8】本発明を応用した、試料を走査させ、XYZトランスレータに付加したアクチュエータによって加振するタイプのAFMのブロック図である。 [8] by applying the present invention, by scanning the sample is a block diagram of an AFM of the type vibrated by an actuator which is attached to the XYZ translator.

【図9】本発明を応用した、試料を走査させ、カンチレバーをアクチュエータに固定して加振するタイプのAFM [9] by applying the present invention, the sample is scanned, the type of excitation to fix the cantilever actuator AFM
のブロック図である。 It is a block diagram.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

101 距離に対する力曲線から試料のトポグラフィー、 Samples of topography from the force curve for the 101 distance,
粘弾性に関する情報が得られる領域 102 距離に対する力曲線からプローブと試料との間の引力・斥力に関する情報が得られる領域 103 距離に対する力曲線からプローブと試料との間に働く吸着力に関する情報が得られる領域 201 フィードバックコントロールおよびトポグラフィー像に使用される信号 202 カンチレバーのたわみ信号 204 プローブと試料との間にはたらく吸着力の大きさを示す信号 205 試料表面の硬さを示す信号 206 プローブと試料との間にはたらく引力・斥力の大きさを示す信号 310 減算器 311 コンピュータおよびAFMコントローラ 401 カンチレバーのたわみ信号 402 リファレンス信号取得用のトリガ信号 403 極大値ホールド回路用のトリガ信号 404 極小値ホールド回路用のトリガ信号 405 引力・斥力用サンプル&ホールド回路用のトリガ Information about the suction force obtained acting between the force curve probe and the sample to the region 103 distance information is obtained about the attraction-repulsion between the force curve for the region 102 distance information is obtained between the probe and the sample Viscoelastic signal 206 probe and the sample showing the hardness of the used area 201 feedback control and deflection of the signal 202 cantilever used for topographic image signal 204 probe and the signal 205 sample surface showing the magnitude of the attractive force acting between the sample the work of attraction-repulsion magnitude are shown signals 310 subtractor 311 computers and AFM controller 401 cantilever deflection signal 402 for the trigger signal 404 minimum value holding circuit for the trigger signal 403 maximum value holding circuit for obtaining a reference signal during trigger for the sample-and-hold circuit for the trigger signal 405 attraction-repulsion 信号 406 弾性用サンプル&ホールド回路用のトリガ信号 407 弾性用サンプル&ホールド回路用のトリガ信号 507 減算器 508 コンピュータおよびAFMコントローラ 602 極大値ホールド回路用のトリガ信号 603 リファレンス信号取得用のトリガ信号 604 サンプリング範囲を指定するトリガ信号 703 カンチレバー 704 試料 705 XYZトランスレータ 706 たわみ信号処理装置 707 コンピュータおよびAFMコントローラ 708 発振器 709 Zトランスレータコントローラ 710 XYトランスレータコントローラ 711 加算器 808 発振器 810 加振用圧電アクチュエータ 908 発振器 910 加振用圧電アクチュエータ Signal 406 the trigger signal 507 subtractor 508 computers and AFM controller 602 maxima trigger signal 604 sampling trigger signal 603 reference signal acquisition for hold circuit for elastic sample and trigger signal 407 elastic sample and hold circuit for holding the circuit for trigger signals 703 cantilever 704 sample 705 XYZ translator 706 deflection signal processor 707 computer and AFM controller 708 oscillator 709 Z translator controller 710 XY translator controller 711 piezoelectric actuators 908 oscillator 910 oscillating adder 808 oscillator 810 oscillating to specify a range The piezoelectric actuator

フロントページの続き (72)発明者 作原 寿彦 千葉県千葉市美浜区中瀬1丁目8番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 安宅 龍明 千葉県千葉市美浜区中瀬1丁目8番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 藤平 正道 神奈川県川崎市麻生区下麻生1103−5 藤 平 正道内 Of the front page Continued (72) inventor Sakuhara Chiba Prefecture, Chiba City, Mihama-ku Nakase address 1-chome 8 Toshihiko cell ico Instruments within Co., Ltd. (72) inventor Ataka Tatsuaki Chiba City, Chiba Prefecture Nakase, Mihama-ku 1-chome address 8 cell ico in Instruments Co., Ltd. (72) inventor, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Masamichi Tohei Aso-ku Shimoaso 1103-5 Fuji Masamichi Taira in

Claims (20)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】 カンチレバーとプローブを有し、カンチレバーに取り付けられたプローブの先端が試料の表面を走査するときに、プローブの位置に対して、試料表面を反映するデータを収集する原子間力顕微鏡において、前記プローブまたは試料を前記カンチレバーの共振周波数以下の周波数で振動させて、前記プローブと前記試料を周期的に接触させながら試料表面を走査することによって、前記試料表面の形状に関する情報に加えて、前記試料表面の性質を表す情報を複数取得し、同時に画像化することを特徴とする原子間力顕微鏡。 1. A has a cantilever and probe, when the tip of the probe attached to the cantilever scans the surface of the sample, relative to the position of the probe, an atomic force microscope for collecting data reflecting the sample surface in, said probe or the sample is oscillated at a resonant frequency below the frequency of the cantilever, the sample and the probe by scanning the sample surface while periodically contact, in addition to the information about the shape of the sample surface the information indicating the nature of the sample surface obtains a plurality, atomic force microscope, which comprises simultaneously imaged.
  2. 【請求項2】 前記原子間力顕微鏡において、プローブに働く最大斥力を一定に保つようにプローブまたは試料の位置を制御しながら試料表面上を操作することによって、試料表面の表面形状像を得ることを特徴とする請求項1記載の原子間力顕微鏡。 2. A the atomic force microscope, by operating on the sample surface while controlling the position of the probe or sample so as to maintain the maximum repulsive force constant acting on the probe, to obtain the surface shape image of the sample surface claim 1, wherein the atomic force microscope according to claim.
  3. 【請求項3】 プローブと試料との距離が十分離れていてカンチレバーがたわんでいない状態でのカンチレバーのたわみを表す信号と、プローブが試料から受ける斥力が最大となっている状態でのカンチレバーのたわみを表す信号との差からプローブに働く最大斥力を決定することを特徴とする請求項2記載の原子間力顕微鏡。 3. A signal representative of the deflection of the cantilever in a state where the distance between the probe and the sample is not deflected is cantilever away enough, the deflection of the cantilever in a state where the repulsive force which the probe receives from the sample is the largest and determining the maximum repulsive force acting on the probe from the difference between the signal representing the second aspect of the atomic force microscope.
  4. 【請求項4】 カンチレバーまたは試料の振動に同期したトリガ信号のタイミングを調節し、そのトリガにあわせてカンチレバーのたわみを表す信号を測定することによって、カンチレバーがたわんでいない状態でのカンチレバーのたわみを表す信号を決定することを特徴とする請求項3記載の原子間力顕微鏡。 4. Adjust the timing of the cantilever or trigger signal synchronized with the vibration of the sample by measuring a signal representative of the deflection of the cantilever in accordance with the the trigger, the deflection of the cantilever in a state in which the cantilever is not deflected claim 3 wherein the atomic force microscope and determining a signal representative.
  5. 【請求項5】 カンチレバーまたは試料の振動に同期した開始と終了のトリガ信号のタイミングを調節し、開始トリガから終了トリガの間でのカンチレバーのたわみを表す信号から、プローブに働く最大斥力を決定することを特徴とする請求項3記載の原子間力顕微鏡。 5. Adjust the timing of the start and end of the trigger signal in synchronization with the oscillation of the cantilever or a sample from a signal representative of the deflection of the cantilever between the end trigger from the start trigger, determines the maximum repulsive force acting on the probe claim 3 wherein the atomic force microscope, wherein a.
  6. 【請求項6】 プローブが試料表面に接触した後、プローブを試料表面から引き離すのに充分な大きさの振幅で前記プローブを振動させることを特徴とする、請求項1 After wherein the probe is in contact with the sample surface, characterized in that vibrating the probe in amplitude large enough to separate the probe from the sample surface, according to claim 1
    記載の原子間力顕微鏡。 Atomic force microscope according.
  7. 【請求項7】 前記振動段階において、正弦波で振動させることを特徴とする請求項1記載の原子間力顕微鏡。 7. The said vibrating step, according to claim 1, wherein the atomic force microscope, wherein a vibrating in a sine wave.
  8. 【請求項8】 試料の表面形状像と、試料表面上でのプローブと試料表面との間に働く相互作用および試料の物性分布と、を同時に画像化することを特徴とする請求項1記載の原子間力顕微鏡。 8. A surface shape image of the sample, the probe and the interaction and claim 1, wherein the imaging simultaneously and properties distribution, the sample acting between the sample surface on the sample surface an atomic force microscope.
  9. 【請求項9】 プローブと試料表面との間に働く引力及び斥力を画像化することを特徴とする請求項8記載の原子間力顕微鏡。 9. probe and attractive and claim 8, wherein the atomic force microscope, wherein imaging the repulsive force acting between the sample surface.
  10. 【請求項10】 カンチレバーまたは試料の振動に同期した二つのトリガ信号のタイミングを調節し、それぞれのタイミングでのカンチレバーのたわみを表す信号の差からプローブと試料との間に働く引力および斥力を決定することを特徴とする請求項9記載の原子間力顕微鏡。 10. Adjust the timing of the cantilever or two trigger signals in synchronization with the vibration of the sample, determine the attractive and repulsive forces acting between the signal differences from the probe and the sample representative of the deflection of the cantilever at each timing claim 9, wherein the atomic force microscope, characterized by.
  11. 【請求項11】 プローブと試料との間に働く吸着力の分布を画像化する事を特徴とする請求項8記載の原子間力顕微鏡。 11. probe of claim 8, wherein the atomic force microscope, characterized in that for imaging the distribution of the suction force acting between the sample.
  12. 【請求項12】 カンチレバーまたは試料の振動に同期した開始と終了のトリガ信号のタイミングを調節し、開始トリガから終了トリガの間でのカンチレバーのたわみを表す信号からプローブと試料との間に働く吸着力を決定することを特徴とする請求項11記載の原子間力顕微鏡。 12. Adjust the timing of the start in synchronization with the oscillation of the cantilever or the sample and the end of the trigger signal, it acts from the signal representative of the deflection of the cantilever between the end trigger from start trigger between the probe and the sample adsorption 11. AFM, wherein the determining the force.
  13. 【請求項13】 試料表面の硬さの分布を画像化することを特徴とする請求項8記載の原子間力顕微鏡。 13. The method of claim 8, wherein the atomic force microscope, wherein imaging the hardness distribution of the sample surface.
  14. 【請求項14】 カンチレバーまたは試料の振動に同期した二つのトリガ信号のタイミングを調節し、それぞれのタイミングでのカンチレバーのたわみを表す信号の差から試料表面の硬さを決定することを特徴とする請求項13記載の原子間力顕微鏡。 14. Adjust the timing of the cantilever or two trigger signals in synchronization with the vibration of the sample, and determining the hardness of the sample surface from the difference of the signals representing the deflection of the cantilever at each timing 13. atomic force microscope according.
  15. 【請求項15】 カンチレバーのたわみを表す信号から試料表面に関する情報を取得するタイミングと、表面形状に関する情報を取得するタイミングを同期させることを特徴とする請求項10、12および14のいずれか1 15. A timing of acquiring the information about the sample surface from the signal representative of the deflection of the cantilever, claim 10, 12 and 14, characterized in that synchronizing the timing of acquiring the information about the surface shape 1
    つに記載の原子間力顕微鏡。 Atomic force microscope according to One.
  16. 【請求項16】 試料表面の形状測定と同時に試料表面上の各位置でのカンチレバーのたわみを表す信号の一周期分または、その一部を記憶装置に保存することを特徴とする請求項2記載の原子間力顕微鏡。 16. One cycle of the signal representative of the deflection of the cantilever at each position on the sample surface at the same time as the shape measurement of the sample surface or claim 2, wherein the storing a part of the storage device atomic force microscope.
  17. 【請求項17】 請求項15記載の装置において、試料表面の形状に関する情報を取得するタイミングと、試料表面上の各位置でのカンチレバーのたわみを表す信号の一周期分または、その一部を記憶装置に保存するタイミングと、を同期させることを特徴とする請求項2記載の原子間力顕微鏡。 17. The apparatus of claim 15, the timing of acquiring the information about the shape of the sample surface, one period of a signal representative of the deflection of the cantilever at each position on the sample surface or, stores a part claim 2, wherein the atomic force microscope, wherein synchronizing the timing of storing device, a.
  18. 【請求項18】 前記記憶装置に保存した、一周期分のカンチレバーのたわみを表す信号からプローブと試料との間に働く引力及び斥力を決定し、引力及び斥力の分布を画像化する事を特徴とする請求項16または17記載の原子間力顕微鏡置。 18. saved in the storage device, characterized in that imaging attraction and determines the repulsive force, the distribution of the attractive and repulsive exerted between the probe and the sample from the signal representative of the deflection of one period of the cantilever AFM location according to claim 16 or 17 wherein the.
  19. 【請求項19】 前記記憶装置に保存した、一周期分のカンチレバーのたわみを表す信号からプローブと試料との間に働く吸着力を決定し、吸着力分布を画像化する事を特徴とする請求項16または17記載の原子間力顕微鏡。 19. saved in the storage device, determines a suction force acting between the probe and the sample from the signal representative of the deflection of one period of the cantilever claims, characterized in that imaging the suction force distribution claim 16 or 17 atomic force microscope according.
  20. 【請求項20】 前記記憶装置に保存した、一周期分のカンチレバーのたわみを表す信号から試料の硬さを決定し、硬さ分布を画像化することを特徴とする請求項16 20. A stored in the storage device, one cycle of the cantilever deflection from a signal representative of determining the hardness of a sample, according to claim 16, wherein imaging the hardness distribution
    または17記載の原子間力顕微鏡。 Or 17 atomic force microscope according.
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